• Nie Znaleziono Wyników

The analysis of a viscoelastic shell of revolution periodically loaded

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "The analysis of a viscoelastic shell of revolution periodically loaded"

Copied!
9
0
0

Pełen tekst

(1)

M E C H A N I K A  T E O R E T Y C Z N A  I  S T O S O W A N A 

2/3, 21 (1983) 

T H E ANALYSIS  O F A VISCOELASTIC  S H E L L  O F  R E V O L U T I O N PERIODICALLY  L O A D E D  P I O T R  K O N D E R L A  The shell of revolution periodically loaded by mechanical forces or by the periodically  forced displacement is analysed in the paper. The material of a shell is assumed to be  linear. The problem will be solved on the basis of the technical theory of thin shells [1].  Under assumption that the displacements and deformations are small the problem is  linear. It is also assumed that the loadings of the shell (mechanical and nonmechanical)  are described by the harmonic functions with the circular frequency с о  and are applied  in the duration of the sufficient length. It allows to assume that the motion of the construc­ tion is stationary, i.e. that the displacements and internal forces vary periodically with  the frequency o>. It enables searching of the solution without explicit time function.  The set of curvilinear coordinates л : = (f, rj) (Fig. 1) is chosen in the middle surface  of the shell.  F o r simplification it is assumed that all loads are in the same phase and that  the origin of the time axis is chosen so, that the phase angle is equal to zero. It does not  restrict the generality of considerations because the problem is linear and the principle  of superposition holds.  F o r to = 0 the statical problem has been received.  Wroclaw  1. Introduction  Fig. 1 

(2)

170  P.  K O N D K R L A  The solution of the problem has been obtained numerically by Finite Element Method  [2, 3]. The construction of the  F E M algorithm for eight parameter conical elements are  given in the paper. The solution formulated in this way has been applied to the analysis  of the rubber construction of the seal of rotational shafts.  •  2 . Basic definitions and linear viscoelasticity equations  Let the system of cylindrical coordinates X = (r, z, rj) be introduced in the Euclidean  space. The middle surface of the shell immersed in this space occupies the region & The  curvilinear coordinates x = (f, tj), interrelated with (/, z, tj) by means of A' = [r(f), z(f), tj],  parametrize the surface. The material of the shell is isotropic with mass density Q0 and  thickness distribution Л (Ј).  A l l functions which describe the motion, deformations and stresses in the shell will  be described in terms of the physical coordinates of the two dimensional tensor fields on  the middle surface of the shell. Keeping in mind the applied method of the solution we  have assumed it in the form of vectors in the local set of coordinates (x, Ј).  The motion of the middle surface is described by the displacement vector  ( 1 ) f(x,t) = [u(x,t),v(x,t),w(x,t)]T Moreover, the concept of the generalized vector of displacement is introduced  (2) f(x, t) = [u(x, t), v{x, t), w(x, t), tptfx, t), (pn(x,  f ) f ,  where cpc(x, t), q>n(x, t) are angles of rotations of the material fibre normal to the mid­ surface.  The stresses and deformations in the shell are described by vectors  ( 3 ) e(x, t) = [ee(x, t), en(x, t), y(x, t), xs(x, t), x„(x, t), tfx, t)f, 

( 4 ) a(x, t) = [ns(x, t), nn(x, t), щ п(х , t), п ц {х , t), mr,(x, t), m^(x, /)].'  Geometrical relations have the form, [2]  (5) e(x,t)= PJ[f(x,t)],  where is the linear differential operator of geometrical relations for thin shells  o f  revolution. Stress­strain relations will be written down in the form of the Voltera equation, 

№  

(6) a(x, t) = 3F*[e(x, t)].  For v = const  E q . (6) can be rewritten in the form  (7) a{x,t) = D(i)\e(x,t)­  f l \ t ­ т )е (х , т )с 1г \.  о  

where  Д г , т ) = JT(/— Т ) is the relaxation speed function, while  0 ( f ) is the elasticity  matrix for the isotropic linear elastic body. 

(3)

L E P K O S P R Ę Ż Y S TA  P O W L O K Ą  O B R O T O W A  the energy.  F o r isothermic problems we have  (8)  A ? + c ) = Z ,  where: К  is the power of the kinetic energy  (9) K&  J ' [f(x,t)]T o(i)f(x,t)d&,  (10) p(l) = diag[o0,  o0, go, ft 2 o0/12,  й \ )0/ 1 2 ] ,  U is the power of the internal energy  (11) U = J [i(x,t)]T o(x,t)dv,  and L is the power of the external forces  (12) L= j [f(x,t)]T p(x,t)d&.  171  3. The algorithm of  F E M  Let the shell be divided into a number of the conical finite elements and the lines of  nodes coincide with the chosen parallels [2]. The nodal parameters in the node a(a  = 1 , 2 )  are represented by the vector (Fig. 2)  (13)  'I  Fig. 2  Taking into account the axial symmetry of the structure, we are to expand the nodal  parameters into the Fourier series along the tj variable. If the motion is an effect of the  periodical excitation with the frequency to, then  (14)  1 = 0 

(4)

172  P. KONDIRl Л   where yl (rj) ­ diag [c,. su Cj, ct]  [cosh]  Icosh] is  °' \sinlrj ' 1  \cos//y for odd loads'  <5i—real part and imaginary part (respectively) of the displacement vector  o f the  a node.  Displacements  o f e­element will be written down in the form  (i5) fw (xlt \ 0 = Ke0e) )tie) (v­ 0 = Јм 0В А ф № Щ % =  ­  ^ 4 ^ № ( ^ i < ' V ' ' \  where:  x( e )  = (Ј<«>,»j)  z'(rj) = diag [ci, s,, с ,].  Table 1  sin/// for even loads  1­f  l ­ 3 Ј2  + 2Ј3 

^ '

3f2  ­2f3  In  E q . (15) typical base functions were used, namely linear for displacements ;/ and  • v while cubic for the displacement w. The shape matrix N?ti is presented in Table I. Here  and in what follows the summation convention holds. Similarly for the generalized vector  of displacements (2) we have  (16)  Geometrical relations in accordance with (5) have the form  (17) E« > ( X« \  о  =  / ) ]  =   a i ^ Ą ^ N ^ m d 1 * ^ ] =  where: г  (rj) = diag [с ,, c,, s,, c,, c,,s{\, 

(5)

(2 

М р   • w" 

« л   • I  +

с м  

I ­> 

+

­  | ч   <N *—\  • MJI 1  о   "§•1 »•  v | t i  1  *N  \»  Г М   •   «  ^ \  JJ.fl  ­ |н  

+ Mr 

+

JJJ1  ^  |N  m   +   4^* 

4* 

• 4/. 

4j> 

­ w  Mr  -

+

Э ­1  <N I  + JJJ­. 

4* [ П З ) 

(6)

174  P.  K O N U E R L A 

B[c)(S<e)

) — geometrical matrix is presented in Table 2. 

After the conversion of  E q . (7) and substitution into  E q . (17) we have 

(18) a<e >(x, t) =  D ( P) ) [ f it e > ( x « ' \ t)­f  Д / ­ т ) «( с) ( х ( с) , T)dr] =  • •­ 0 ­ *1 и м *ш  • I­ =  0 ( ^ > )Ј< % х < е \ 0 ( Г с + /Г ,) =  where  . Z V = 1—/ F(z)cosojzdz, T\ = J  A z ) s i n r o z d z .  о  о   The shell as an assemblage of elements e = 1, 2, E occupies the region •& which  is different from the region  § . The total nodal parameters of the structure уj are related  to the local parameters of the element by the transformation  (19)  where  (20)  (21)  Л <е > for e + x­l=j,  0 in the  a l l remaining cases,  coS(/)(L,)  0 sin(/>(e > 0"  0  1 0 0  ­sin</>(c)  0  c o s 0( e )  0  0 0 0 1  Applying the transformation (19) to Eqs. (15), (16), (17) and (18) we arrive at the  expressions describing the state of displacement, deformations and stresses at each point  of the region v in the form  e=l I I  (22)  f(x,t) = z  E A v v € Aw q e m = H­'(V)^j ^)УWV ',  e l I  a(x,t) = (Г с + И \) V  ^ ( f ' ^ ^ ^ W C ) ^ 0 ) ^ '0 ' ^ ' " ' m  =  ( г с+ и \ )  У  D ( f)?(rj)&'(F)

 aje*', 

where x =  ( f, rj) and | — is the coordinate which coincides with the generator of the  element. 

Substituting  R H S of Eqs. (22) into  E q . (8) and the performing simple conversions,  we obtain the equation of equilibrium of the structure in the form 

(7)

L E P K O S P R Ę Ż Y S TA  P O W Ł O K A  O B R O T O W A  175  (23) (Tc+irs)K lin dl n­co 2 Mlin ól n = F tJ for / =  0 ,  1 , 2 , j=  1 , 2 ,  . . . , Ј + 1 ;  where  (24)  M y " = Jf  [ z ^ ) V V W K Ј ) z 4 ^ m F) ^ ,  о   Comparing real and imaginary parts  o f  E q . (23) we obtain the conjugatejsystem  o f  equations with real roots  {rcK lin ­m2 Mlin )6l n­rsK ,in 6l n = Щ   (25) _ ­ = _  ­rsK' jn d, n­(rcK ,JN ­M2 MlJn )d, n = F lj for / = 0,  1 , 2 , j = 1,2,  . . . , E + 1 .  Together with Eqs. (25) the suitable displacement boundary conditions have to be  taken into account.  4. The numerical example 

Forced vibrations of the shell  o f revolution being the model  o f the rubber construction  of the seal of rotational shafts (Fig. 3) is analysed. The linear viscoelastic body, for which  the velocity  o f relaxation function takes the form  (26)  A / ) =  C e ­ ' V ­1 , for t > 0.  is assumed as the model  o f the material.  0.65 cm I 

(8)

176  P.  K O N D I R L A  The material constants were found on the basis of the laboratory tests: С  = 0,236;  fi = 0,01; x = 0,1; Youngs modulus of elasticity E = 9,4  M P a . The mass density of ma­ terial is equal to Q0 = 1250  k g / m 3 .  The forced displacements of the structure are given by its loading as a result of the  eccentric location of the axis of rotational shaft in the relation to the axis of rotation.  The motion of the shaft can be decomposed into two simple harmonic motions  i n two  perpendicular directions, displaced in relation to each other by phase angle equal л /2.  Dynamical thrusts of the seal lip on the shift are the most interesting values from the  point of view of applications.  O n  F i g . 4 the plot of amplitudes of the unitary thrusts  o f  the seal lip as the function of angular velocity to is given. The motion of the structure in  which different influences are taken into account has been analysed:  a) the motion of the structure in which the mass of the spring and the friction are neglec­ ted, (line 1 on  F i g . 4),  b) the mo'tion of the structure with the influence of the mass of the spring and without  the friction (line 2 on  F i g . 4),  c) the motion of the structure with the influence of the mass of the spring and the friction  (line 3 on  F i g . 4).  pr[N/m]  i,  /—  udird/s]  10 DO  2C Ю 0 V  3C Ю 3 X  — >

\

X

Fig. 4  In each case the forced displacements of the nodal line in the place of contact of the  seal with the shaft are equal to Wj(r), t) = wjcos^e'0 " for wj = 0,01 cm, in the direction  perpendicular to the axis of the shaft. It is assumed that the constraints in the place  o f  the contact are bilateral. The coefficient of friction ц  was taken equal to 0,1. Line 4 on  Fig. 4 shows unitary thrust as the result of the static axisymmetrical extension of the seal  lip by value wf = 0,01 cm. 

(9)

LKPKOSPitĘ Ż YSTA POW LOKĄ OB R OTOW A  17"  Literature 

1­  W .  F L U G E , Powłoki, obliczenia statyczne. Arkady, Warszawa 1972. 

2­ О .  C .  Z I E N K I E W I C Z , Mitoda elementуw skoń czonych. Arkady, Warszawa, 1972. 

3.  J .  T .  O D E N , Finite elements of nonlinear continua, McGraw­Hill Book Company, New  Y o r k . 1972.  4.  J . N .  R A B O T N O W , Eleimnty msłjedstwiennoj mechaniki twierdych tjel, Nauka, Moskwa, 1977.  Р е з ю м е   А Н А Л И З   В Я З К О ­ У П Р У Г О Й   О Б О Л О Ч К И   В Р А Щ Е Н И Я   П Е Р И О Д И Ч Е С К И   Н А Г Р У Ж Е Н Н О М   В   р а б о т е   а н а л и з и р у ю т с я   о б о л о ч к и   в р а щ е н и я   ц и к л и ч е с к и   н а г р у ж е н н ы е   м е х а н и ч е с к о й   н а г р у з ­ к о й   и л и   ц и к л и ч е с к и   в ы н у ж д е н н ы м   п е р е м е щ е н и е м .  М о д е л ь  м а т е р и а л а   э т о   т е л о   л и н е й н о  Е Я З 1« Т <­ у п р у г о е .  П р о б л е м ы   р е ш а ю т с я   и с х о д я   и з   у р а в н е н и й   т е х н и ч е с к о й   т е о р и и   т о н к и х   о б о л о ч е к   п о л ь ­ з у я с ь   м е т о д о м   к о н е ч н ы х   э л е м е н т о в .  Д л я   и л л ю с т р а ц и и   а н а л и з и р у ю т с я   в ы н у ж д е н н ы е   к о л е б а н и я   о б о л о ч к и   в р а щ е н и я   с о с т а в л я ю щ е й   м о д е л ь   к о н с т р у к ц и и   р е з и н о в о г о   у п л о т н е н и я   в р а щ а н щ я х с я   п а л о в .  S t r e s z c z e n i e 

A N A L I Z A  L E P K O S P R Ę Ż Y S T EJ  P O W Ł O K I  O B R O T O W E J  O B C I Ą Ż O N EJ  P E R I O D Y C Z N I E  W pracy analizowano  p o w ł o k a  o b r o t o w ą  o b c i ą ż o ną cyklicznie  o b c i ą ż e n i em mechanicznym lub Cyidicz  nie wymuszonym przemieszczeniem. Modelem materiału jest  c i a ł o liniowo  l e p k o s p r ę ż y s t e. Zagadnienie  r o z w i ą z a no w oparciu o zwią zki technicznej teorii  p o w ł o k cienkich,  p o s ł u g u j ą c się  m e t o d ą  e l e m s n t у w  s k o ń c z o n y c h. Jako ilustrację analizowano drgania wymuszone  p o w ł o k i obrotowej bę dą cej modelem  konstrukcji gumowego uszczelnienia wirują cych  w a ł у w . 

Cytaty

Powiązane dokumenty

Jego celem jest pokazanie możliwości użycia koncep- cji marketingowych w administracji publicznej, zwłaszcza tych, które mimo że są wykorzystywane głównie przez

potentiële terminalpunten, etc. Bij de behandeling van het model zal hier nader op worden 1ngegaan. Voor wat betreft het aantal 1n te voeren randvoorwaarden dient

–strain state analysis are shown: defl ections of the shell, axial and circular stresses, fol- lowed by the comparison of the results with and without consideration of thermal

This pas- sage (thanks to the formal ontology that takes account simultaneously of all three classes of relations – pragmatics, syntax, semantics) means that the representative

&#34;Zbiór przepisów

The inc1usion of a linear isotropic hardening elasto-p1astic material model in the present finite element fonnulation has been shown to

the symmetry, remarkably similar. Therefore, this determination should be treated with care and only in cases in which the symmetry of the pattern can be clearly observed. 4) In

Досягнення цієї мети передбачає виконання наступних завдань: охарактеризувати основні теоретичні положення щодо проведення